JP6876943B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

改質器及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。改質器は、改質反応によって都市ガスなどの原料ガスから水素ガスを生成する。水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって電力を生成する。

未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池から排出される。アノードオフガスが未処理のまま大気中に排出されることを防止するために、アノードオフガスは、改質器のバーナに供給され、バーナで燃やされる。ただし、アノードオフガスには、水分が多く含まれている。水分を多く含んだアノードオフガスを改質器のバーナに供給すると、バーナが安定して燃焼できずに失火したり、不完全燃焼によって一酸化炭素が発生したりすることがある。したがって、従来の燃料電池システムは、バーナに供給する前にアノードオフガスから水分を除去するように設計されている。

図５に示すように、特許文献１には、改質反応器２０１、燃料電池２０２、排出ガス経路２２０、熱交換器２２５及び排水経路２３０を備えた燃料電池システム２００が記載されている。排出ガス経路２２０は、燃料電池２０２及びバーナ２０４のそれぞれに接続されている。排出ガス経路２２０には、熱交換器２２５及び凝縮水タンク２０５が配置されている。熱交換器２２５は、排出ガス（アノードオフガス）を冷却し、水分を凝縮させる。凝縮水タンク２０５は、排出ガスから生じた凝縮水を貯留する。凝縮水タンク２０５には、排水経路２３０が接続されている。排水経路２３０には、排水弁２５６が設けられている。凝縮水タンク２０５は、水位検知器２５７を備えている。水位検知器２５７が水位の上昇を検知したとき、排水弁２５６が開放される。

特開２０１４−５８４２６号公報

特許文献１に記載された燃料電池システム２００には、凝縮水タンク２０５及び水位検知器２５７が使用されている。フロートセンサなどの水位検知器２５７の信頼性は若干低い。また、図５に示す構成によれば、排水弁２５６を頻繁に開閉することが必要である。

本開示の目的は、簡素でありながら信頼性の高い構成を採用しつつ、可燃性ガスがシステムの外部に漏れることを防止するための技術を提供することにある。

すなわち、本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるべき水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池と前記バーナとを接続しており、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記バーナに供給するためのアノードオフガス経路と、
前記バーナに空気を供給する空気供給器と、
前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留し、前記凝縮水の水位が閾値水位を上回ったとき前記凝縮水が外部へと排出されるように構成された凝縮水経路と、
前記凝縮水経路に配置された排水弁と、
前記空気供給器から前記バーナへの空気の供給流量を閾値流量以上の流量に増加させる必要があるときに前記排水弁を閉じるように制御する、及び／又は、前記アノードオフガス経路の内部の圧力が閾値圧力を超えた場合若しくは前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う変化が検出された場合に前記排水弁を閉じるように制御する制御器と、
を備えた、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、簡素でありながら信頼性の高い構成を採用しつつ、可燃性ガスがシステムの外部に漏れることを防止できる。

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 図２Ａは、排水弁を開閉するために制御器が行う処理を示すフローチャートである。 図２Ｂは、排水弁を開閉するために制御器が行う別の処理を示すフローチャートである。 図２Ｃは、排水弁を開閉するために制御器が行うさらに別の処理を示すフローチャートである。 図２Ｄは、排水弁を開閉するために制御器が行うさらに別の処理を示すフローチャートである。 図２Ｅは、排水弁を開閉するために制御器が行うさらに別の処理を示すフローチャートである。 図２Ｆは、排水弁を開閉するために制御器が行うさらに別の処理を示すフローチャートである。 図３は、ＣＯセンサの検査処理を示すフローチャートである。 図４は、本開示の基礎となった知見を説明するための図である。 図５は、従来の燃料電池システムの構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、特許文献１に記載された燃料電池システムから水位検知器を省略することが可能かどうか検討した。その結果、図４に示す構造を考え出した。

図４に示すように、アノードオフガスは、アノードオフガス経路３０４を通じて、燃料電池３０２からバーナ３０８へと送られる。アノードオフガス経路３０４から凝縮水経路３１０が分岐している。凝縮水経路３１０は、排水トラップ（水封構造）を形成している。排水トラップによって、アノードオフガスがシステムの外部に排出されることを防止できる。凝縮水経路３１０には排水弁３１２が配置されている。通常の運転時において、排水弁３１２は開いている。アノードオフガスに含まれた凝縮水が凝縮水経路３１０に集められる。凝縮水経路３１０に貯められた凝縮水の水位が排水トラップによって規定された水位ｈを超えると、凝縮水は、凝縮水経路３１０から溢れてシステムの外部へと排出される。この構成によれば、排水弁３１２を頻繁に開閉する必要もないし、水位検知器も必須ではないし、凝縮水タンクも必須ではない。

ただし、本発明者らは、凝縮水経路３１０における凝縮水の水位が常に一定ではなく、変動する可能性があることに気が付いた。

アノードオフガスは、バーナ３０８に供給され、バーナ３０８で燃やされる。バーナ３０８には、空気供給経路３１４を通じて、空気供給器３１６から空気が供給される。例えば、改質器３０６の内部の温度が上がりすぎたとき、又は、ＣＯセンサの感度の検査を行うとき、空気供給器３１６からバーナ３０８に供給される空気の流量が一時的に増やされる。バーナ３０８に供給される空気の流量が増えると、バーナ３０８よりも下流側の経路の圧力が上昇し、それに伴いアノードオフガス経路３０４の内部の圧力が上昇する。その結果、凝縮水経路３１０における凝縮水の水位が押し下げられる。水位が下がりすぎると、アノードオフガスが排水トラップを突破して大気中に排出される可能性がある。水位が下がったとしても排水トラップが突破されることを防止するために、凝縮水経路３１０の高さを増やすことが考えられる。また、アノードオフガス経路３０４の内部の圧力が上昇しすぎないように、例えば、アノードオフガス経路３０４の配管を太くして圧力損失を低減することが考えられる。しかし、凝縮水経路３１０の高さの増加及びアノードオフガス経路３０４の配管の直径の増大は、システムの寸法の拡大及びコストの増加に直結する。

上記の知見に基づき、本発明者らは、本開示の燃料電池システムを想到するに至った。

本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるべき水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記燃料電池と前記バーナとを接続しており、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記バーナに供給するためのアノードオフガス経路と、
前記バーナに空気を供給する空気供給器と、
前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留し、前記凝縮水の水位が閾値水位を上回ったとき前記凝縮水が外部へと排出されるように構成された凝縮水経路と、
前記凝縮水経路に配置された排水弁と、
前記空気供給器から前記バーナへの空気の供給流量を閾値流量以上の流量に増加させる必要があるときに前記排水弁を閉じるように制御する、及び／又は、前記アノードオフガス経路の内部の圧力が閾値圧力を超えた場合若しくは前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う変化が検出された場合に前記排水弁を閉じるように制御する制御器と、
を備えたものである。

排水弁を閉じると、凝縮水経路が排水弁の前後で分断されるので、アノードオフガスが凝縮水経路を突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路の配管を太くしたりする必要もない。したがって、本態様は、燃料電池システムの寸法及びコストの面で有利である。フロートセンサなどの水位センサを使用する必要が無いので、燃料電池システムを簡素化できるとともに、燃料電池システムの信頼性も高まる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムは、前記アノードオフガス経路に配置された圧力センサをさらに備え、前記制御器は、前記圧力センサの検出値が前記閾値圧力を超えた場合に前記排水弁を閉じるように制御する。第２態様によれば、アノードオフガスが凝縮水経路を突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムは、前記空気供給器と前記バーナとを接続している空気供給経路と、前記空気供給経路に配置された流量計と、をさらに備え、前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う前記変化は、前記流量計の検出値が閾値流量を超えることであり、前記制御器は、前記流量計の検出値が前記閾値流量を超えた場合に前記排水弁を閉じるように制御する。第３態様によれば、アノードオフガスが凝縮水経路を突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。

本開示の第４態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムは、前記空気供給器と前記バーナとを接続している空気供給経路と、前記空気供給経路に配置された圧力センサと、をさらに備え、前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う前記変化は、前記圧力センサの検出値が閾値空気圧力を超えることであり、前記制御器は、前記圧力センサの検出値が前記閾値空気圧力を超えた場合に前記排水弁を閉じるように制御する。第４態様によれば、アノードオフガスが凝縮水経路を突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。

本開示の第５態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムは、前記空気供給器と前記バーナとを接続している空気供給経路をさらに備え、前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う前記変化は、前記空気供給器の操作量が閾値操作量を超えることであり、前記制御器は、前記空気供給器の操作量が前記閾値操作量を超えた場合に前記排水弁を閉じるように制御する。第５態様によれば、アノードオフガスが凝縮水経路を突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記排水弁は、前記閾値水位よりも下に位置している。第８態様によれば、排水弁を安定して動作させることができるとともに、排水弁の入口からアノードオフガス経路と凝縮水経路との間の分岐位置までの距離を十分に確保することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって水素ガスを生成するための機器である。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）も収められている。改質器１１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１１で生成された水素ガスが燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池１３は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。

改質器１１には、温度センサ４０が取り付けられている。温度センサ４０は、改質器１１の内部の温度を検出する。改質器１１の内部の温度は、例えば、触媒の温度又は触媒層の出口温度である。改質器１１の複数の位置のそれぞれに温度センサ４０が取り付けられていてもよい。温度センサ４０としては、サーミスタ、熱電対及び測温抵抗体が挙げられる。

燃料電池システム１００は、さらに、バーナ１５、排気経路１７及びＣＯセンサ１９を備えている。バーナ１５は、燃料を燃焼させることによって改質器１１を加熱するためのデバイスである。バーナ１５は、改質器１１に隣接している。バーナ１５は、改質器１１の内部に配置されていてもよい。排気経路１７は、バーナ１５に接続されている。排気経路１７は、バーナ１５で生じた燃焼排ガスの流路である。排気経路１７は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。ＣＯセンサ１９は、排気経路１７に配置されている。ＣＯセンサ１９は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出する役割を担っている。ＣＯセンサ１９は、例えば、接触燃焼式のＣＯセンサ又は半導体式のＣＯセンサである。バーナ１５とＣＯセンサ１９との間において、排気経路１７には、排ガス熱交換器２６が配置されている。燃焼排ガスは、排ガス熱交換器２６において冷却されたのち、ＣＯセンサ１９を通過する。排ガス熱交換器２６として、プレート式熱交換器又は多管式熱交換器が使用されうる。

バーナ１５には、空気供給経路３４が接続されている。空気供給経路３４は、バーナ１５に空気を供給するための流路である。空気供給経路３４には、流量計３５及び空気供給器３６が設けられている。流量計３５によって空気供給経路３４における空気の供給流量（単位：リットル／ｍｉｎ）が検出される。空気供給器３６によってバーナ１５に空気が供給される。流量計３５として、電磁式流量計、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、超音波式流量計などの公知の流量計が使用されうる。空気供給器３６の例には、ファン及びブロワが含まれる。空気供給器３６は、空気の供給流量を変更可能な供給器でありうる。流量計３５及び空気供給器３６を使用すれば、バーナ１５への空気の供給流量を所望の供給流量に調節することができる。

空気供給経路３４には、圧力センサ３７（空気圧力センサ）が配置されていてもよい。圧力センサ３７は、空気供給経路３４の内部の圧力を検出する。空気供給経路３４の内部の圧力には、空気供給経路３４における空気の供給流量が反映される。そのため、圧力センサ３７の検出値から空気の供給流量を推測することが可能である。例えば、空気供給経路３４の内部の圧力と空気供給経路３４における空気の供給流量との関係を予め実験的に調べる。得られた結果から参照テーブルを作成すれば、空気供給経路３４の内部の圧力から空気供給経路３４における空気の供給流量を特定することができる。参照テーブルは、後述する制御器３２に記憶される。つまり、流量計３５の代わりに圧力センサ３７を用いることができる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１４、アノードオフガス経路１６及びカソードオフガス経路１８を備えている。

燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１３のアノードに水素ガス（水素含有ガス）を供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１３とを接続している。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池１３のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１４の一端は空気取り入れ口であり、例えば、燃料電池システム１００の筐体（図示省略）の内部に開口している。酸化剤ガス供給経路１４の他端は燃料電池１３のカソードに接続されている。酸化剤ガス供給経路１４には、空気供給器２３が設けられている。空気供給器２３は、燃料電池１３に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器２３の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。空気供給器２３は、空気の供給流量を変更可能な供給器でありうる。空気供給器２３を制御することによって、酸化剤ガス供給経路１４における空気の供給流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。

アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードから排出されたアノードオフガスをバーナ１５に供給するための流路である。アノードオフガスは、未反応の水素ガス及び未反応の原料ガスを含む可燃性ガスである。アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードとバーナ１５とを接続している。アノードオフガス経路１６を通じて、アノードオフガスが燃料電池１３からバーナ１５に供給される。アノードオフガスは、バーナ１５で燃やされる。これにより、アノードオフガスが未処理のまま大気中に排出されることを防止できる。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードから排出された未反応の酸化剤ガス（カソードオフガス）を燃料電池システム１００の外部へと導くための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードに接続されており、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。カソードオフガス経路１８は、ＣＯセンサ１９の上流側又は下流側において、排気経路１７に接続されていてもよい。

アノードオフガス経路１６には、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２は、アノードオフガスを冷却し、アノードオフガスに含まれた水蒸気を凝縮させる。熱交換器２２として、プレート式熱交換器又は多管式熱交換器が使用されうる。

燃料電池システム１００は、さらに、凝縮水経路２０及び排水弁２１を備えている。凝縮水経路２０は、アノードオフガス経路１６から分岐している経路であって、下方に向かって延びている。詳細には、凝縮水経路２０は、アノードオフガス経路１６と凝縮水経路２０との分岐位置Ｋから重力方向の下方に向かって延びている。分岐位置Ｋは、アノードオフガス経路１６において、熱交換器２２とバーナ１５との間に存在する。アノードオフガスから生じた凝縮水が凝縮水経路２０に集められる。

本実施形態において、凝縮水経路２０は、第１部分２０ａ及び第２部分２０ｂを含む。第１部分２０ａは、アノードオフガス経路１６に接続された部分であり、例えば、直線状の形状を有する。第２部分２０ｂは、凝縮水が貯められる部分であり、例えば、Ｕ字状の形状を有する。第２部分２０ｂは、燃料電池システム１００の外部に連通している端部２ｅを含む。端部２ｅは、重力方向において、凝縮水経路２０の最も下の位置Ｌと分岐位置Ｋとの間に位置している。第２部分２０ｂの端部２ｅが燃料電池システム１００の外部に連通しているので、凝縮水経路２０に貯められた凝縮水には、アノードオフガス経路１６の内部の圧力と大気圧とが加わる。第２部分２０ｂは、端部２ｅの高さに応じて決まる閾値水位Ｈを規定している。凝縮水経路２０における凝縮水の水位が閾値水位Ｈを上回ったとき、凝縮水は、凝縮水経路２０の第２部分２０ｂから溢れて燃料電池システム１００の外部へと排出される。

本実施形態において、凝縮水経路２０は、全体として、Ｐトラップと呼ばれる排水トラップを形成している。ただし、排水トラップの形状は、Ｐトラップに限定されない。Ｓトラップ、Ｕトラップなどの公知の形状の排水トラップが凝縮水経路２０に適用されうる。

排水弁２１は、凝縮水経路２０に配置されている。排水弁２１は、例えば、開閉弁である。排水弁２１は、ノーマリーオープン型の開閉弁であってもよいし、ノーマリークローズ型の開閉弁であってもよい。燃料電池システム１００の通常運転時において、排水弁２１は、開いている。排水弁２１が閉じられると、凝縮水は、凝縮水経路２０において、分岐位置Ｋと排水弁２１との間の部分に貯められる。燃料電池システム１００の運転停止時において、排水弁２１は開いていてもよいし、排水弁２１は閉じられてもよい。本実施形態によれば、排水弁２１を頻繁に開閉する必要が無い。

本実施形態において、排水弁２１は、閾値水位Ｈよりも下に位置している。言い換えれば、排水弁２１は、凝縮水経路２０の第２部分２０ｂに配置されている。分岐位置Ｋに近い側における凝縮水の水位が閾値水位Ｈの近傍に存在するとき、排水弁２１の内部は凝縮水で満たされている。そのため、排水弁２１を安定して動作させることができる。また、排水弁２１が閾値水位Ｈよりも下に位置している場合、排水弁２１の入口から分岐位置Ｋまでの距離を十分に確保することができる。

本実施形態において、凝縮水経路２０にタンクが設けられていない。ただし、凝縮水経路２０にタンクが設けられていてもよい。そのようなタンクは、例えば、第２部分２０ｂに配置されうる。タンクから溢れた凝縮水が燃料電池システム１００の外部へと排出されうる。

燃料電池システム１００は、さらに、圧力センサ２４を備えている。圧力センサ２４は、アノードオフガス経路１６に配置されている。圧力センサ２４は、アノードオフガスの流れ方向において、分岐位置Ｋよりも上流側に位置していてもよいし、分岐位置Ｋよりも下流側に位置していてもよい。圧力センサ２４は、アノードオフガス経路１６の内部の圧力を検出する。圧力センサ２４として、歪ゲージ式圧力センサ、ピエゾ抵抗式圧力センサ、静電容量式圧力センサなどが使用されうる。

燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路２７、原料供給器２８、給水経路３０及び水供給器３１を備えている。原料ガス供給経路２７は、原料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの原料供給源（図示省略）から改質器１１に原料ガスを供給するための流路である。原料ガス供給経路２７に原料供給器２８が設けられている。原料供給器２８の例として、ポンプ、流量調整弁、それらの組み合わせなどが挙げられる。原料供給器２８を制御することによって、原料ガスの供給流量を調節することができる。原料ガス供給経路２７には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。給水経路３０は、貯水タンクなどの水源から改質器１１に水を供給するための流路である。給水経路３０に水供給器３１が設けられている。水供給器３１の例として、ポンプが挙げられる。水供給器３１を制御することによって、水の供給流量を調節することができる。

燃料電池システム１００は、さらに、制御器３２を備えている。制御器３２は、燃料電池１３、排水弁２１、空気供給器２３、原料供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、各種の補助機器などの制御対象を制御する。補助機器には、弁（開閉弁、切替弁及び流量調整弁を含む）、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。制御器３２には、ＣＯセンサ１９、圧力センサ２４、流量計３５、圧力センサ３７及び温度センサ４０から検出信号が入力される。検出信号から、排気経路１７における燃焼排ガスのＣＯ濃度、アノードオフガス経路１６の内部の圧力、空気供給経路３４における空気の供給流量、空気供給経路３４の内部の圧力、及び、改質器１１の内部の温度が特定される。制御器３２として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器３２には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

燃料電池システム１００において、各経路は、１又は複数の配管によって構成されうる。

次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。

燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示が入力された場合、制御器３２は、空気供給器２３、原料供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、及び、各種の補助機器の制御を開始する。燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示は、例えば、運転開始スイッチがオンにされた場合に制御器３２に入力される。改質器１１が所定の温度に達し、水素ガスの流量が所定流量に達すると、制御器３２は、燃料電池システム１００の出力が徐々に上昇するように、空気供給器２３、原料供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、及び、各種の補助機器を制御する。燃料電池システム１００の出力が定格出力に達すると、制御器３２は、定格出力を維持するように、空気供給器２３、原料供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、及び、各種の補助機器を制御する。

燃料電池１３で発電が始まると、燃料電池１３のカソードからカソードオフガスが排出され、燃料電池１３のアノードからアノードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス経路１８を通じて、燃料電池システム１００の外部へと排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス経路１６を通じて、バーナ１５に供給され、バーナ１５で燃やされる。バーナ１５には、空気供給経路３４を通じて、空気供給器３６から空気が供給される。

例えば、改質器１１の内部の温度Ｔが上がりすぎたとき、空気供給器３６からバーナ１５に供給される空気の流量が一時的に増やされる。これにより、改質器１１の内部の温度Ｔが低下する。空気の流量は、例えば、数分間にわたって増やされる。あるいは、空気の流量は、改質器１１の内部の温度Ｔが閾値温度以下の温度に低下するまで、一時的に増やされる。例えば、定格運転時における空気の流量が１０リットル／ｍｉｎであるとき、改質器１１の内部の温度を下げるために、空気の流量が１０リットル／ｍｉｎから３０リットル／ｍｉｎに増やされる。あるいは、ＣＯセンサ１９の感度を検査すべきとき、空気供給器３６からバーナ１５に供給される空気の流量が一時的に増やされる。

バーナ１５に供給される空気の流量が増えると、バーナ１５よりも下流側の経路の圧力が上昇する。具体的には、バーナ１５、排ガス熱交換器２６及び排気経路１７の内部の圧力が上昇する。それに伴い、アノードオフガス経路１６の内部の圧力が上昇する。その結果、凝縮水経路２０における凝縮水の水位が押し下げられる。水位が下がりすぎると、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出される可能性がある。アノードオフガス経路１６の内部の圧力が上昇したとしても凝縮水経路２０の排水トラップが突破されることを防止するために、本実施形態では、排水弁２１が一時的に閉じられる。このようにすれば、凝縮水経路２０が排水弁２１の前後で分断されるので、アノードオフガスは、凝縮水経路２０の排水トラップを突破できない。

図２Ａは、排水弁２１を開閉するために制御器３２が行う処理を示すフローチャートである。制御器３２は、燃料電池システム１００の起動後、図２Ａに示す処理を所定の制御周期毎に実行する。

ステップＳ１において、圧力センサ２４から検出信号を取得し、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐを検出する。ステップＳ２において、圧力センサ２４の検出値である圧力Ｐが閾値圧力を超えたかどうかを判断する。圧力Ｐが閾値圧力を超えた場合、ステップＳ３において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。

圧力Ｐが閾値圧力以下である場合、ステップＳ４において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

閾値圧力は、例えば、燃料電池システム１００の設計に応じて実験的に決められる。閾値圧力は、安全をみて、凝縮水経路２０の排水トラップが突破されると推測される圧力よりも少し低い圧力に設定されうる。

図２Ａに示す例によれば、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐが直接的に検出され、検出された圧力Ｐに基づいて排水弁２１の開閉が制御される。ただし、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇は、他のパラメータから間接的に検出することも可能である。つまり、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇を伴う変化が検出された場合に排水弁２１を閉じるように制御してもよい。

図２Ｂ〜２Ｄは、排水弁２１を開閉するために制御器３２が行う別の処理を示すフローチャートである。

図２Ｂのフローチャートにおいて、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇を伴う変化は、流量計３５の検出値が閾値流量を超えることである。ステップＳ１１において、流量計３５から検出信号を取得し、空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒを検出する。ステップＳ１２において、流量計３５の検出値である供給流量Ｒが閾値流量を超えたかどうかを判断する。供給流量Ｒが閾値流量を超えた場合、ステップＳ１３において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。

供給流量Ｒが閾値流量以下である場合、ステップＳ１４において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

閾値流量は、例えば、燃料電池システム１００の設計に応じて実験的に決められる。閾値流量は、安全をみて、凝縮水経路２０の排水トラップが突破されると推測される流量よりも少し低い流量に設定されうる。例えば、空気の流量が１０リットル／ｍｉｎから３０リットル／ｍｉｎに増やされるとき、閾値流量は、１０リットル／ｍｉｎと３０リットル／ｍｉｎとの間の流量（例えば、２５リットル／ｍｉｎ）に設定されうる。

アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇は、空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒの増加に起因している。そのため、空気の供給流量Ｒに基づいて排水弁２１の開閉を制御しても、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐを直接検出する場合と同じ結果が得られる。アノードオフガス経路１６から圧力センサ２４が省略されうる。

図２Ｃのフローチャートにおいて、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇を伴う変化は、圧力センサ３７の検出値が閾値空気圧力を超えることである。ステップＳ２１において、圧力センサ３７から検出信号を取得し、空気供給経路３４の内部の圧力Ｐ_airを検出する。ステップＳ２２において、圧力センサ３７の検出値である圧力Ｐ_airが閾値空気圧力を超えたかどうかを判断する。圧力Ｐ_airが閾値空気圧力を超えた場合、ステップＳ２３において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。

圧力Ｐ_airが閾値空気圧力以下である場合、ステップＳ２４において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

閾値空気圧力は、例えば、燃料電池システム１００の設計に応じて実験的に決められる。閾値空気圧力は、安全をみて、凝縮水経路２０の排水トラップが突破されると推測される圧力よりも少し低い圧力に設定されうる。

アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇は、空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒの増加に起因している。空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒは、空気供給経路３４の内部の圧力Ｐ_airに密接に関連している。そのため、空気供給経路３４の内部の圧力Ｐ_airに基づいて排水弁２１の開閉を制御しても、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐを直接検出する場合と同じ結果が得られる。アノードオフガス経路１６から圧力センサ２４が省略されうる。

図２Ｄのフローチャートにおいて、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇を伴う変化は、空気供給器３６の操作量が閾値操作量を超えることである。ステップＳ３１において、空気供給器３６の操作量Ｍを取得する。操作量Ｍは、例えば、空気供給器３６の回転数である。ステップＳ３２において、空気供給器３６の操作量Ｍが閾値操作量を超えたかどうかを判断する。操作量Ｍが閾値操作量を超えた場合、ステップＳ３３において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。

操作量Ｍが閾値操作量以下である場合、ステップＳ３４において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

閾値操作量は、例えば、燃料電池システム１００の設計に応じて実験的に決められる。閾値操作量は、安全をみて、凝縮水経路２０の排水トラップが突破されると推測される操作量よりも少し小さい操作量に設定されうる。

アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇は、空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒの増加に起因している。空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒは、空気供給器３６の操作量Ｍに密接に関連している。例えば、操作量Ｍが回転数を表すとき、操作量Ｍが増加するにつれて、空気の供給流量Ｒも増加する。そのため、空気供給器３６の操作量Ｍに基づいて排水弁２１の開閉を制御しても、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐを直接検出する場合と同じ結果が得られる。アノードオフガス経路１６から圧力センサ２４が省略されうる。

図２Ａ〜２Ｄのフローチャートによれば、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐが閾値圧力を超えた場合若しくはアノードオフガス経路１６の内部の圧力の上昇を伴う変化が検出された場合に排水弁２１が閉じられる。つまり、排水弁２１を開閉するための制御が受動的に行われる。他方、以下に説明する図２Ｅ及び図２Ｆのフローチャートによれば、空気供給器３６からバーナ１５への空気の供給流量を閾値流量以上の流量に増加させる必要があるときに排水弁２１が予め閉じられる。つまり、排水弁２１を開閉するための制御が能動的に行われる。アノードオフガス経路１６の内部の圧力が実際に上昇したかどうかは問わない。いずれの方法によっても、凝縮水経路２０が排水弁２１の前後で分断されるので、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。フロートセンサなどの水位センサを使用する必要が無いので、燃料電池システム１００を簡素化できるとともに、燃料電池システム１００の信頼性も高まる。

図２Ｅに示すように、ステップＳ４１において、温度センサ４０から検出信号を取得し、改質器１１の内部の温度Ｔを検出する。ステップＳ４２において、温度センサ４０の検出値である温度Ｔが閾値温度を超えたかどうかを判断する。温度Ｔが閾値温度を超えた場合、空気供給器３６からバーナ１５への空気の供給流量を閾値流量以上の流量に増加させる必要があるものと判断する。ステップＳ４３において、空気供給器３６を制御して、空気供給経路３４における空気の供給流量を閾値流量以上の流量まで増加させる。これにより、改質器１１の温度が上がりすぎることを防止できる。

さらに、ステップＳ４４において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。ステップＳ４３の処理とステップＳ４４の処理の順序は入れ替わってもよい。

改質器１１の内部の温度Ｔが閾値温度以下である場合、ステップＳ４５において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

閾値温度は、例えば、改質器１１に収められた改質触媒の劣化を回避できる温度に設定されうる。閾値流量は、例えば、改質器１１の内部の温度を速やかに下げるために必要な流量である。

アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇は、空気供給経路３４における空気の供給流量Ｒの増加に起因している。一例において、空気の供給流量Ｒは、改質器１１の過昇温を防止するために増やされる。そのため、改質器１１の温度Ｔに基づいて排水弁２１の開閉を制御しても、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐを直接検出する場合と同じ結果が得られる。アノードオフガス経路１６から圧力センサ２４が省略されうる。

なお、図２Ｅのフローチャートにおいて、温度センサＴの検出値が閾値温度を超えたとき、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐの上昇を伴う変化が起こったと判断することもできる。

空気供給器３６からバーナ１５に供給される空気の流量を増加させるための他の条件は、ＣＯセンサ１９の感度を検査することである。ＣＯセンサ１９の感度を検査するとき、空気供給器３６からバーナ１５に供給される空気の流量が増やされる。

図２Ｆに示すように、ステップＳ５１において、ＣＯセンサ１９の感度の検査中かどうかを判断する。ＣＯセンサ１９の感度を検査中である場合、ステップＳ５２において、排水弁２１を閉じるように制御する。これにより、アノードオフガスが凝縮水経路２０の排水トラップを突破して大気中に排出されることを確実に防止できる。凝縮水経路２０の高さを大幅に増加させたり、アノードオフガス経路１６、排ガス熱交換器２６又は排気経路１７の配管を太くしたりする必要がないので、本実施形態は、燃料電池システム１００の寸法及びコストの面で有利である。

ＣＯセンサ１９の感度の検査中でない場合、ステップＳ５３において、排水弁２１を開くように制御する。これにより、凝縮水の水位が分岐位置Ｋまで上昇してアノードオフガス経路１６が凝縮水で閉塞することを防止できる。

ＣＯセンサ１９の感度の検査は、例えば、所定期間に１回（例えば、２４時間に１回）行われる。燃料電池システム１００の発電中にＣＯセンサ１９の感度の検査が行われてもよいし、燃料電池システム１００の起動前にＣＯセンサ１９の感度の検査が行われてもよい。ＣＯセンサ１９の感度の検査を実行するタイミングは特に限定されない。

ＣＯセンサ１９の感度の検査では、空気供給器３６からバーナ１５に閾値流量以上の流量で空気が供給される。したがって、ＣＯセンサ１９の感度の検査を実行する必要があるとき、排水弁２１が閉じるように制御される。

図２Ｆのフローチャートにおいて、ステップＳ５１の処理は、ＣＯセンサ１９の感度の検査を実行する時期が到来したかどうかを判断する処理であってもよい。つまり、ＣＯセンサ１９の感度の検査が実際に始まる前（空気の供給流量が増やされる前）に排水弁２１が閉じられてもよい。

制御器３２は、ＣＯセンサ１９の感度の検査として、例えば、図３に示す各処理を実行する。

図３に示すように、ステップＳＴ１において、空気供給器３６を制御して、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇するようにバーナ１５における空気比を増加させる。空気比が増加するように空気供給器３６を制御することによって、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。ステップＳＴ１において、空気比（Ｍ２／Ｍ１）は、例えば、２〜５の範囲に調節される。このとき、燃焼排ガス中のＣＯ濃度（体積濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ〜６０００ｐｐｍに達する。燃料電池システム１００の発電中にＣＯセンサ１９の検査が行われる場合、燃料電池１３のアノードオフガスがバーナ１５に供給される。燃料電池システム１００の起動前にＣＯセンサ１９の検査が行われる場合、原料ガスがバーナ１５に供給される。

「空気比」とは、燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気流量Ｍ１に対する実際の空気流量Ｍ２の比（Ｍ２／Ｍ１）を意味する。定格発電期間において、例えば、空気比が１．６となるように空気供給器３６が制御される。このとき、燃焼排ガス中のＣＯ濃度は、例えば、５０ｐｐｍ以下である。

次に、ステップＳＴ２において、制御器３２は、ＣＯセンサ１９から検出値を取得する。検出値は、ＣＯセンサ１９によって検出されたＣＯ濃度に対応する。ステップＳＴ３において、取得した検出値が閾値以下かどうかを判断する。閾値（閾値濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ〜２００ｐｐｍの範囲内で設定される。ＣＯセンサ１９の検出値が閾値以下でないとき、つまり、検出値が閾値を越えているとき、一酸化炭素の発生が正しく検出されたことになるので、ＣＯセンサ１９は正常である。ＣＯセンサ１９の異常が発見されなかった場合、燃料電池システム１００の運転が許可される（ステップＳＴ４）。

他方、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値以下であるとき、ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。つまり、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値を超えたとき、制御器３２は、ＣＯセンサ１９が正常であると判断し、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値を越えないとき、ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。この方法によれば、ＣＯセンサ１９の異常の有無を正確に調べることができる。

ＣＯセンサ１９に異常がある場合、ステップＳＴ５において、異常判定動作を実行する。異常判定動作として、燃料電池システム１００を停止させてもよいし、ＣＯセンサ１９に異常があることを外部に報知してもよい。検査が終了したら、空気比を元の値まで低下させる。つまり、バーナ１５の空気比を１．６に戻してＣＯ濃度を低下させる。これにより、燃料電池システム１００の運転を継続することができる。ＣＯセンサ１９の感度の検査の終了に応じて排水弁２１が開放される（図２ＦのステップＳ５１及びステップＳ５３）。

図２Ａに示すステップＳ２、図２Ｂに示すステップＳ１２、図２Ｃに示すステップＳ２２、図２Ｄに示すステップＳ３２、図２Ｅに示すステップＳ４２及び図２Ｆに示すステップＳ５１から選ばれる２以上の条件が成立した場合に排水弁２１が閉じられてもよい。例えば、空気供給器３６の操作量Ｍが閾値操作量を超え、かつ、アノードオフガス経路１６の内部の圧力Ｐが閾値圧力を超えた場合、排水弁２１が閉じられてもよい。ＣＯセンサ１９の感度の検査が始まり、流量計３５の検出値が閾値流量を超えた場合、排水弁２１が閉じられてもよい。

空気供給器３６からバーナ１５に供給される空気の流量を増加させるための条件は、改質器１１の内部の温度Ｔが上がりすぎること及びＣＯセンサ１９の感度を検査することに限定されない。燃料電池システム１００では、様々な状況で空気の供給流量が増やされる。例えば、改質器１１における改質触媒層の熱を変成触媒層に効率的に伝えるために空気の供給流量を増やすこともある。

本明細書に開示された技術は、燃料電池システムに有用である。

１１ 改質器
１２ 燃料ガス供給経路
１３ 燃料電池
１４ 酸化剤ガス供給経路
１５ バーナ
１６ アノードオフガス経路
１７ 排気経路
１８ カソードオフガス経路
１９ ＣＯセンサ
２０ 凝縮水経路
２０ａ 第１部分
２０ｂ 第２部分
２ｅ 端部
２１ 排水弁
２２ 熱交換器
２３ 空気供給器
２４ 圧力センサ
２６ 排ガス熱交換器
２７ 原料ガス供給経路
２８ 原料供給器
３０ 給水経路
３１ 水供給器
３２ 制御器
３４ 空気供給経路
３５ 流量計
３６ 空気供給器
３７ 圧力センサ
４０ 温度センサ
１００ 燃料電池システム
Ｋ 分岐位置
Ｈ 閾値水位

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給されるべき水素ガスを生成する改質器と、
   前記改質器を加熱するバーナと、
   前記燃料電池と前記バーナとを接続しており、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記バーナに供給するためのアノードオフガス経路と、
   前記バーナに空気を供給する空気供給器と、
   前記アノードオフガス経路から分岐して下方に延び、前記アノードオフガスから生じた凝縮水を貯留し、前記凝縮水の水位が閾値水位を上回ったとき前記凝縮水が外部へと排出されるように構成された凝縮水経路と、
   前記凝縮水経路に配置された排水弁と、
   前記空気供給器から前記バーナへの空気の供給流量を閾値流量以上の流量に増加させる必要があるときに前記排水弁を閉じるように制御する、及び／又は、前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う変化が検出された場合に前記排水弁を閉じるように制御する制御器と、
   前記空気供給器と前記バーナとを接続している空気供給経路と、
   を備え、
   前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う前記変化は、前記空気供給経路に配置された流量計の検出値が閾値流量を超えること、前記空気供給経路に配置された圧力センサの検出値が閾値空気圧力を超えること、及び、前記空気供給器の操作量が閾値操作量を超えること、からなる群より選ばれる少なくとも１つであり、
   前記制御器は、前記流量計の検出値が前記閾値流量を超えること、前記空気供給経路に配置された前記圧力センサの検出値が前記閾値空気圧力を超えること、及び、前記空気供給器の操作量が前記閾値操作量を超えること、からなる群より選ばれる少なくとも１つの条件が成立した場合に前記排水弁を閉じるように制御する、燃料電池システム。
2. 前記アノードオフガス経路に配置された圧力センサをさらに備え、
   前記制御器は、前記アノードオフガス経路の内部の圧力の上昇を伴う変化が検出され、かつ、前記アノードオフガス経路に配置された前記圧力センサの検出値が前記閾値圧力を超えた場合に前記排水弁を閉じるように制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排水弁は、前記閾値水位よりも下に位置している、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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